Επιστημονικά στοιχεία – Αρχή λειτουργίας - Μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική

Βασικό κίνητρο για την ανάπτυξη της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας ήταν η διαστημική έρευνα που απαιτούσε κάποια μορφή ενέργειας μικρού βάρους, αλλά μεγάλης διάρκειας ζωής, καταρχήν για την τροφοδοσία πομπών για την αποστολή μηνυμάτων πίσω στην γη. Πράγματι, από την δεκαετία του 1950 μέχρι σήμερα οι δορυφόροι τροφοδοτούνται με φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Μετά τα μέσα της δεκαετίας του 1970 δημιουργήθηκε ενδιαφέρον για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από διάφορες εναλλακτικές ανανεώσιμες μορφές ενέργειας με χρήση μεταξύ αυτών και της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Από τότε έχουμε μεγάλη βελτίωση στον συντελεστή μετατροπής (απόδοση) των φ/β από 6% στην δεκαετία του 1950 μέχρι 18% σήμερα σε επίπεδο παραγωγής και 25% σε επίπεδο εργαστηρίου.

Παρά την εντυπωσιακή εξέλιξη στην τεχνολογία κατασκευής φ/β στοιχείων, δεν έγινε ακόμη δυνατό να μειωθεί το κόστος τους τόσο, ώστε να αποτελούν μια ανταγωνιστική πρόταση προς τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής Η.Ε. Εξάλλου, η μεγάλη πλειοψηφία των φ/β εγκαταστάσεων μέχρι σήμερα χρησιμοποιούνται για εφαρμογές μικρής σχετικά ισχύος σε θέσεις που δεν έχουν άμεση πρόσβαση σε κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο. Στις περιπτώσεις αυτές, τα φ/β επιλέγονται γιατί προσφέρουν μια ασφαλή και αξιόπιστη παροχή ηλεκτρικής ισχύος, και αποτελούν συχνά τη φθηνότερη ενεργειακή επιλογή. Στο Σχήμα 6.6  φαίνεται η πορεία του κόστους των φ/β.

Κόστη ενός φωτοβολταϊκού συστήματος και μείωση αυτών με τον χρόνο.

Σήμερα κατασκευάζονται φ/β στοιχεία σε διάφορους τύπους, οι περισσότεροι με βάση το πυρίτιο σε διάφορες μορφές ( μονοκρυσταλλικό, πολυκρυσταλλικό, άμορφο) καθώς και κάποια άλλα υλικά όπως δισεληνιούχος ινδικός χαλκός, τελλουριούχο κάδμιο κλπ. Στο εργαστήριο δοκιμάζονται και νέες μέθοδοι με στόχο πάντα την κατασκευή αποδοτικότερων και φθηνότερων φ/β στοιχείων.

Στην εργασία μας, λοιπόν, το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μεταφέρεται μέσω των καλωδίων στο λαμπτήρα με αποτέλεσμα αυτός να ανάβει.

Ένα βασικό χαρακτηριστικό των φωτοβολταϊκών στοιχείων που πρέπει να βελτιωθεί για να υπάρξει σημαντική εξάπλωση της χρήσης τους είναι η σχετικά χαμηλή απόδοσή τους, δηλαδή το γεγονός ότι μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια ένα μικρό μόνο ποσοστό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Όμως αν συνδεθούν πολλά μαζί, μπορεί να ληφθεί σημαντική ισχύς.

 

Η πρώτη παρατήρηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου έγινε το 1839 από τον

Γάλλο φυσικό Henri Becquerel. O Becquerel ανακάλυψε πως είναι δυνατόν να

εμφανισθεί ηλεκτρικό ρεύμα όταν μια φωτεινή πηγή εφαρμοσθεί σε ορισμένα χημικά

διαλύματα. Το 1883, η πρώτη ηλιακή κυψέλη κατασκευάστηκε από τον Charles

Fritts, ο οποίος χρησιμοποίησε το σελήνιο με ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα χρυσού

για την κατασκευή των ενώσεων. Η συσκευή ήταν περίπου 1% αποτελεσματική. Στη

συνέχεια, ο Ρώσος φυσικός Aleksandr Stoletov κατασκεύασε την πρώτη ηλιακή

κυψέλη με βάση το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (το ανακάλυψε ο Heinrich Hertz

νωρίτερα το 1887). Ενώ, το 1946 ο Russell Ohl κατοχύρωσε με δίπλωμα

ευρεσιτεχνίας την κατασκευή ενώσεων ηλιακών κυψελών. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο άρχισε να γίνεται παγκοσμίως γνωστή κυρίως με την

ανακοίνωση της πρώτης κατασκευής ηλιακής κυψέλης πυριτίου από τους Fuller,

Pearson και Chappin το 1954

Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και η λειτουργία του φωτοβολταϊκού

συστήματος στηρίζεται στις βασικές ιδιότητες των ημιαγωγών. Όταν το φως

προσπίπτει σε μια επιφάνεια είτε ανακλάται, είτε την διαπερνά (διαπερατότητα) είτε

απορροφάται από το υλικό της επιφάνειας. Η απορρόφηση του φωτός ουσιαστικά

σημαίνει την μετατροπή του σε μια άλλη μορφή ενέργειας (σύμφωνα με την αρχή

διατήρησης της ενέργειας) η οποία συνήθως είναι η θερμότητα.

Παρόλα αυτά όμως υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να

μετατρέπουν την ενέργεια των προσπιπτόντων φωτονίων σε ηλεκτρική ενέργεια.

Αυτά τα υλικά είναι οι ημιαγωγοί και σε αυτά οφείλεται επίσης η τεράστια

τεχνολογική πρόοδος που έχει συντελεστεί στον τομέα της ηλεκτρονικής και

συνεπακόλουθα στον ευρύτερο χώρο της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών.

Το χαρακτηριστικό στοιχείο ενός ημιαγωγού που το διαφοροποιεί από τα

υπόλοιπα υλικά είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων του ατόμου στην εξωτερική του

στοιβάδα (σθένους). Ο περισσότερο γνωστός ημιαγωγός και το πιο σύνηθες υλικό κατασκευής των ηλιακών κυψελών είναι το πυρίτιο (Si).